用于3D生物打印細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的生物墨水開發(fā)

來源：IJB國(guó)際生物打印
作者：Yanshen Yang1,2, Yuanbo Jia1,2, Qingzhen Yang1,2, Feng Xu1,2*
機(jī)構(gòu)：
1 西安交通大學(xué)，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
2 西安交通大學(xué)，仿生工程與生物力學(xué)研究中心

文章亮點(diǎn)
本文總結(jié)了細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的關(guān)鍵力學(xué)因素，分析了基質(zhì)剛度、粘彈性、表面形貌和動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激等要素對(duì)細(xì)胞行為的影響。

系統(tǒng)評(píng)估了多種工程生物墨水的力學(xué)特性，分析了天然與合成生物墨水的特點(diǎn)，并重點(diǎn)探討了構(gòu)建細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的生物墨水選擇原則。

詳細(xì)討論了生物墨水面臨的挑戰(zhàn)，包括力學(xué)特性調(diào)控的復(fù)雜性及現(xiàn)有技術(shù)的局限性，并探討了潛在解決策略。

展望了生物墨水在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，強(qiáng)調(diào)了其在精準(zhǔn)模擬體內(nèi)微環(huán)境方面的巨大潛力。

研究背景
在組織工程與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D生物打印技術(shù)憑借其精準(zhǔn)構(gòu)建復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的能力而備受關(guān)注。生物墨水作為該技術(shù)的核心材料，其力學(xué)特性對(duì)細(xì)胞微環(huán)境的構(gòu)建至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有生物墨水難以全面模擬體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的力學(xué)微環(huán)境，尤其是細(xì)胞對(duì)力學(xué)信號(hào)的響應(yīng)機(jī)制尚未完全明確，這限制了組織工程的發(fā)展。因此，深入研究生物墨水的力學(xué)特性及優(yōu)化策略，對(duì)于提升3D生物打印構(gòu)建組織的功能性和生物相容性具有重要意義。


研究進(jìn)展

1.細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境
剛度：剛度是材料抵抗變形的能力，通常由彈性模量表征。活組織剛度范圍廣泛，如骨組織彈性模量高達(dá)20 GPa，而粘液僅11 Pa。細(xì)胞能感知基質(zhì)剛度并調(diào)整自身行為，如多能基質(zhì)細(xì)胞會(huì)依基質(zhì)剛度分化為不同類型細(xì)胞。細(xì)胞微環(huán)境剛度是動(dòng)態(tài)變化的，受細(xì)胞活動(dòng)影響。

粘彈性：生物組織具有粘彈性，表現(xiàn)為受力時(shí)既有彈性變形又有粘性流動(dòng)。粘彈性受多種因素影響，其動(dòng)態(tài)特性使材料受適度應(yīng)力時(shí)可恢復(fù)形狀，受過度應(yīng)力時(shí)則不可逆地改變形狀。應(yīng)力松弛是粘彈性常見表現(xiàn)，對(duì)細(xì)胞分化、擴(kuò)展和遷移有影響。

表面形貌：表面形貌涵蓋粗糙度和圖案等因素。粗糙度影響材料潤(rùn)濕性和細(xì)胞附著，而圖案化表面可引導(dǎo)細(xì)胞排列。如溝槽圖案引導(dǎo)細(xì)胞沿特定方向生長(zhǎng)。

動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激：動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激模擬活組織運(yùn)動(dòng)，如肌肉拉伸和軟骨剪切。在微觀層面，材料變形引起的細(xì)胞附著位點(diǎn)變化和分子鏈滑動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力變化，都可能轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的機(jī)械信號(hào)，影響細(xì)胞活動(dòng)。

2.生物墨水的特性
水凝膠生物墨水：水凝膠生物墨水由親水性大分子組成，模擬ECM特性。分為天然和合成兩類，天然水凝膠如明膠、海藻酸鹽和膠原蛋白等具有良好的生物相容性，合成水凝膠如PEG和PAAm則力學(xué)特性可調(diào)。其力學(xué)特性受濃度和交聯(lián)度影響，過高濃度會(huì)限制細(xì)胞活動(dòng)。

非水凝膠生物墨水：非水凝膠生物墨水通常作為支架材料，如脂肪族聚酯，具有無毒性、可生物降解性和良好生物相容性。其熔點(diǎn)和降解速率隨結(jié)晶度和親水性變化，可通過與其他材料復(fù)合或化學(xué)改性優(yōu)化力學(xué)性能。

3.基本力學(xué)微環(huán)境和生物墨水
靜態(tài)力學(xué)微環(huán)境：靜態(tài)力學(xué)微環(huán)境指不隨時(shí)間變化的力學(xué)條件。高初始剛度材料如PCL等可模擬骨組織微環(huán)境，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。水凝膠通過調(diào)整濃度和交聯(lián)度控制初始剛度，但過高濃度會(huì)限制細(xì)胞活動(dòng)，雙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可解決此問題。

表面形貌：表面形貌控制需同時(shí)考慮剛度和制造精度。光刻在這方面具優(yōu)勢(shì)，但水凝膠膨脹會(huì)影響圖案分辨率。應(yīng)選擇膨脹比低的生物墨水，并可通過嵌入式網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)水凝膠。

4.復(fù)雜力學(xué)微環(huán)境和生物墨水面臨的挑戰(zhàn)
各向異性力學(xué)微環(huán)境：常用生物墨水力學(xué)特性與體內(nèi)組織不匹配，缺乏各向異性和復(fù)雜性。通過非均勻生物墨水排列可實(shí)現(xiàn)各向異性微環(huán)境，如同軸生物打印或多噴頭生物打印制造梯度剛度結(jié)構(gòu)。

動(dòng)態(tài)力學(xué)微環(huán)境：結(jié)構(gòu)和細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)，初始剛度會(huì)變化，產(chǎn)生時(shí)間剛度梯度。生物墨水的降解和細(xì)胞分泌ECM共同決定力學(xué)微環(huán)境的時(shí)間變化，應(yīng)力松弛可模擬，粘彈性可調(diào)。動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激對(duì)生物墨水結(jié)構(gòu)要求高，需確保結(jié)構(gòu)完整性。

圖1：用于生物打印細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境以模擬天然微環(huán)境的生物墨水。用生物墨水構(gòu)建的細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境可分為兩類：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。常見的靜態(tài)力學(xué)微環(huán)境包括剛度和表面形貌；基質(zhì)剛度影響單個(gè)細(xì)胞的擴(kuò)展，而表面形貌調(diào)節(jié)細(xì)胞排列。常見的動(dòng)態(tài)力學(xué)微環(huán)境包括應(yīng)力松弛、力學(xué)刺激和梯度；應(yīng)力松弛是一種應(yīng)變保持而應(yīng)力隨時(shí)間降低的狀態(tài)；動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激中施加來自不同方向的拉伸或剪切力；剛度梯度可以隨時(shí)間和空間改變細(xì)胞行為。

表1. 不同尺度下生物組織的剛度值。

縮寫：AFM，原子力顯微鏡；E，彈性模量；G，剪切模量；MRE，磁共振彈性成像；USE，超聲彈性成像。

表2. 不同尺度下生物墨水的剛度值。

縮寫：AFM，原子力顯微鏡；E，彈性模量；G，剪切模量；MW，分子量。*這種分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）為液態(tài)。

圖2：用于構(gòu)建剛度梯度微環(huán)境的擠出式生物墨水。描繪了（A）二維（2D）和（B）三維（3D）梯度剛度生物打印實(shí)驗(yàn)的示意圖。彩色凝膠顯示了從（C, E）硬（紅色）到軟（藍(lán)色）以及（D, F）中等（綠色）到軟（藍(lán)色）的水凝膠成分變化。（G）二維和（H）三維打印的機(jī)械特性已通過壓痕測(cè)試進(jìn)行分析；楊氏模量等于壓痕彈性模量。誤差條表示n=3的標(biāo)準(zhǔn)偏差。比例尺：（C, D）10毫米，（E, F）1毫米（改編自參考文獻(xiàn)[75]，經(jīng)授權(quán)許可）。

未來方向
研究逐漸揭示細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的影響因素和原理。利用生物墨水和支架材料通過3D生物打印技術(shù)構(gòu)建細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境具有良好的可行性和廣闊的應(yīng)用前景，無論是用于機(jī)制探索、作為疾病模型的藥物測(cè)試，還是組織再生模擬。可通過總結(jié)方法和經(jīng)驗(yàn)得出選擇策略，但現(xiàn)有研究存在橫向比較難等問題。無論是在宏觀還是微觀尺度，無論是在拉伸還是剪切方向上，控制變量都至關(guān)重要，應(yīng)確保其與研究目標(biāo)精確匹配。在控制材料表面黏附變量時(shí)，應(yīng)以表面剛度而非體積剛度作為比較標(biāo)準(zhǔn)。楊氏模量和剪切模量不應(yīng)進(jìn)行橫向比較，原子力顯微鏡和流變儀的結(jié)果也不應(yīng)在同一系統(tǒng)中進(jìn)行比較。在參考其他文獻(xiàn)中的剛度實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注實(shí)驗(yàn)方法的可比性。

相互排斥的變量對(duì)于力學(xué)微環(huán)境模擬也具有挑戰(zhàn)性。例如，當(dāng)基質(zhì)剛度受濃度控制時(shí)，分子鏈的空間會(huì)發(fā)生變化，這實(shí)際上會(huì)限制細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和重塑行為。 此外，宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)微環(huán)境的影響尚不清楚。不同尺度下活組織所表現(xiàn)出的力學(xué)差異有待進(jìn)一步解釋。因此，仍需開展大量研究來確定在忽略這些未知量后，結(jié)果是否能夠作為對(duì)力學(xué)微環(huán)境的真實(shí)響應(yīng)。

當(dāng)前材料科學(xué)發(fā)展仍存在明顯局限，生物墨水在模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）特性方面遠(yuǎn)未臻于完善。其剛度調(diào)節(jié)范圍有限，應(yīng)力松弛特性與天然組織存在顯著差異，這些缺陷都不利于細(xì)胞介導(dǎo)的ECM重塑。正因如此，既往研究往往被迫忽略大量不可控因素。然而值得關(guān)注的是，隨著四維生物打印技術(shù)的突破和智能材料的創(chuàng)新發(fā)展，具有主動(dòng)力學(xué)性能調(diào)控能力的材料體系不斷涌現(xiàn)。例如具有自變形特性的打印結(jié)構(gòu)，以及能夠?qū)崿F(xiàn)剛度自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的主客體大分子單體水凝膠等。這些突破性進(jìn)展必將大幅拓展體外模擬細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的研究維度，推動(dòng)該領(lǐng)域研究邁向新的高度。

通訊作者

徐峰  教授
西安交通大學(xué)
西安交通大學(xué)生命學(xué)院教授/院長(zhǎng)、醫(yī)學(xué)部副主任（兼）、生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)家醫(yī)學(xué)攻關(guān)產(chǎn)教融合平臺(tái)（醫(yī)工方向）智慧診斷技術(shù)及裝備中心主任。先后入選國(guó)家青年人才計(jì)劃、國(guó)家優(yōu)青、杰青、享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家等。圍繞生物多尺度多物理場(chǎng)的共性科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，按照“生物力學(xué)基礎(chǔ)理論-生物技術(shù)研發(fā)-臨床轉(zhuǎn)化推廣”的研究思路，系統(tǒng)開展了多尺度生物力-熱-電耦合學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，并將成果應(yīng)用于藥物篩選、疾病診療和航天醫(yī)學(xué)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。重要成果體現(xiàn)為4本專著、350余篇國(guó)際期刊論文及80余項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利；研究成果被引用30000余次（H因子102）。獲“國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)、“教育部科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)、“中華醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)等科技獎(jiǎng)，并獲“中國(guó)力學(xué)青年科技獎(jiǎng)”及“陜西青年科技標(biāo)兵”等個(gè)人榮譽(yù)。擔(dān)任多個(gè)國(guó)際期刊的副主編及多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)組織的委員。

文章鏈接：https://doi.org/10.18063/ijb.v9i1.632